Wussten Sie, dass Erdöl nicht nur im Benzin steckt, sondern auch in ganz vielen Alltagsprodukten wie Bodylotion, Reinigungs- und Waschmitteln und sogar im Kaugummi? Auch viele Kleidungsstücke werden auf Erdölbasis hergestellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Forschungsbereich der Bioökonomie wollen das ändern. Sie suchen nach alternativen, biobasierten Rohstoffen. Einer davon ist Prof. Kai Sundmacher. An der Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik der Universität Magdeburg erforscht er, wie aus Sonnenblumen Waschmittel wird. In der zweiten Folge von "Wissen, wann du willst" erklärt er, wie das funktioniert und vor welchen Herausforderungen die Bioökonomie steht.

Heute zu Gast

In der zweiten Folge ist Prof. Kai Sundmacher vom Institut für Verfahrenstechnik der Universität Magdeburg zu Gast. Er untersucht Produktionsverfahren in der chemischen Industrie und erforscht unter anderem Alternativen zu fossilen Rohstoffen wie Erdöl, die in der Produktion von alltäglichen Produkten wie Waschmittel oder Dünger eingesetzt werden. Wer ebenfalls in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Gebäudetechnik oder Medizinischen Technik sowie im Maschinen- oder Anlagebau arbeiten oder forschen möchte, legt mit dem Studiengang Verfahrenstechnik an der Uni Magdeburg den ersten grundlegenden Baustein für die Karriere.

Der Podcast zum Nachlesen

Introstimme: Wissen, wann du willst. Der Podcast zur Forschung an der Uni Magdeburg.

Ina Götze: In unserer 2. Folge von „Wissen, wann du willst“ widmen wir uns, passend zum Thema des Wissenschaftsjahres, dem Thema Bioökonomie, denn nicht nur im Benzin, sondern auch in ganz vielen Alltagsprodukten steckt tatsächlich Erdöl: in Reinigungsmittel, in Bodylotion, in Kleidung und, man glaubt es kaum, im Kaugummi kann auch Erdöl enthalten sein. Die Bioökonomie will fossile Rohstoffe durch nachwachsende ersetzen und genau daran forscht auch Professor Kai Sundmacher vom Institut für Verfahrenstechnik. Er ist heute unser Gast und wird uns mal erklären, wie denn aus Sonnenblumen Waschmittel wird. Herzlich willkommen!

Prof. Dr. Kai Sundmacher: Hallo!

Götze: Woran forschen Sie denn genau? Also an welchen Produkten und Verfahren?

Sundmacher: Wir untersuchen komplexe Produktionsverfahren für Zwischen- und Endprodukte der chemischen Industrie. Dazu gehören auch Energieträger, wie Wasserstoff, Methanol, flüssige Kraftstoffe, aber eben auch Produkte des Alltagslebens, wie zum Beispiel Waschmittel, Kunststoffe, Düngemittel. Die meisten Produktionsverfahren verwenden heute fossile Rohstoffe, vor allem Erdgas und Erdöl. Auf lange Sicht ist das natürlich problematisch, weil diese Rohstoffe nicht mehr unbegrenzt in der Zukunft zur Verfügung stehen werden. Außerdem wird Erdgas auch dazu verwendet, um unsere Produktionsverfahren zu beheizen. Dabei wird Kohlendioxid freigesetzt, ein klimaschädliches Gas. Daher forschen wir an Verfahren, welche anstelle von fossilen Rohstoffen erneuerbare Rohstoffe und erneuerbare Energieträger einsetzen.

Götze: In unglaublich vielen Produkten steckt Erdöl drin. Wie lässt es sich denn durch biobasierte Rohstoffe ersetzen oder durch welche?

Sundmacher: Biobasierte Rohstoffe – was bedeutet das? Das sind nachwachsende Rohstoffe, also Pflanzen, die auf dem Acker angebaut werden, diese können verwertet werden in allen Teilen bis hin zur Frucht. Oder auch Hölzer, die wir im Wald ernten, könnten ganz oder teilweise in Zukunft diejenigen Rohstoffe liefern, aus denen wir dann alle wesentlichen chemischen Produkte erzeugen. Hinzu kommen Abfallstoffe, wie zum Beispiel Stroh aus der Landwirtschaft oder Baumrinden oder auch Nahrungsmittelabfälle, auch die könnten verwendet werden. Und nicht zu vergessen, das Kohlendioxid aus der Atmosphäre kann selbst auch Kohlenstoffquelle für die chemische Produktion der Zukunft sein. Hier gibt es auch schon eine ganze Reihe von Beispielen aus der Industrie, die zeigen, in welche Richtung wir uns entwickeln können. Zum Beispiel könnten wir PET für Trinkflaschen, was heute aus Rohöl hergestellt wird, ersetzen durch ein anderes Polymer, durch das sogenannte PEF. Das ist ein Polymer, das kann man herstellen aus Lignocellulose und Lignocellulose kann man aus Hölzern gewinnen. Wenn man diese Lignocellulose entsprechend chemisch bearbeitet, kann man über viele Zwischenstufen daraus einen Kunststoff gewinnen, der dann in der Trinkflasche landet. Ein anderes Beispiel sind bioabbaubare Kunststoffe aus Milchsäure. Das heißt, ich kann aus der Milchsäure ein Verpackungsmaterial herstellen, das ähnliche Eigenschaften hat wie Verpackungsmaterialien, die heute auf Erdölbasis gewonnen werden.

Götze: Ich selber benutze sehr, sehr gerne Produkte von FROSCH – an dieser Stelle eine kleine unbezahlte Werbung. Diese Produkte sind, laut Werbeslogan, Bioqualität seit 1986 und sogar die Verpackung ist wohl zu 100 Prozent recycelt. Wenn das schon so lange möglich ist, warum gibt es nicht mehr biobasierte oder Bioprodukte im Supermarkt zu kaufen?

Sundmacher: Die FROSCH-Reinigungsprodukte waren tatsächlich zum Markteinführungszeitpunkt die ersten phosphatfreien Reinigungsmittel auf dem deutschen Markt. Diese Produkte sind EMAS-zertifiziert. EMAS steht für „Eco-Management and Audit Scheme“, auch bekannt als EU-Öko-Audit. Das wurde von der Europäischen Union entwickelt und ist ein Gemeinschaftssystem aus Umweltmanagement, Umweltbetriebsprüfung für Organisationen, die ihre Umweltleistung verbessern wollen. Wie andere Marken, verwendet auch die Firma FROSCH nach wie vor Tenside, die aus Palmkernöl hergestellt werden. Zu dessen Gewinnung kann es auch vorkommen, dass tropischer Regenwald abgeholzt wird, was zu schwerwiegenden ökologischen Problemen führen kann. Deswegen forscht, nach meiner Kenntnis, die Firma FROSCH jetzt daran, zukünftig Öl aus Europa zu verwenden, aus nachwachsenden Ölpflanzen, anstelle von Palmkernöl. Seit 2013 enthalten Produkte von FROSCH nach eigener Aussage zwischen zehn und hundert Prozent Tenside aus europäischem Anbau.

Götze: Und warum gibt es so wenige Bioprodukte?

Sundmacher: Deren Zahl nimmt ja deutlich zu, aber es könnte natürlich mehr sein. Ein wesentlicher Faktor sind Rohstoffkosten, die noch höher sind als bei der Verwendung von Rohöl.

Götze: Also eine Kostenfrage. Ich muss gestehen: Im Chemieunterricht – ich war nicht die Beste. Ich habe es nicht so sehr verstanden, eher ein Wunder, dass ich keine Augenbraue verloren habe. Darum kann ich mir nicht vorstellen oder nur schwer vorstellen, wie man dann aus Sonnenblumen Waschmittel herstellen kann. Wie funktioniert das?

Sundmacher: Das Entscheidende am Waschmittel sind die darin enthaltenen Tenside. Das sind Moleküle, die haben ein Ende, das wasserfreundlich ist und ein anderes Ende, das fettfreundlich ist. Auf diese Weise kann man zum Beispiel einen verschmutzten, verölten Teller mit Hilfe des Tensids mit Wasser einfach säubern, weil dieses Tensid ein Vermittler ist zwischen Wasser und Öl. Tenside lassen sich aus Pflanzenölen herstellen, also auch aus dem Öl, das in den Kernen von Sonnenblumen enthalten ist oder auch Raps-Saaten oder Oliven. Chemisch betrachtet ist Sonnenblumenöl ein Glycerin-Ester von verschiedenen Fettsäuren. Fettsäure im Falle der Sonnenblume ist die Linolsäure. Sie hat 18 Kohlenstoffatome. Man muss sich das vorstellen wie ein langkettiges Molekül mit einer funktionellen Gruppe, die dieses Molekül zu einer Säure macht. Wenn man jetzt Natriumhydoxid zum Beispiel zu diesem Öl hinzugeben würde, dann würde man diesen Ester spalten und es würde eine Natriumseife entstehen. Diese Natriumseife ist im Prinzip das Tensid aus der Linolsäure. So könnte man sich also aus Sonnenblumenöl, wenn man Natriumhydroxid zu Hause hätte, ruckzuck selbst Seife herstellen. Man kann aber die Ölsäure auch in kürzere Moleküle spalten, mit chemischen Reaktionstricks ist das möglich. Dann erhält man kürzerkettige Tenside und zusätzlich auch noch andere Moleküle, die sehr wertvoll sind, sogenannte Olefine. Das sind Kohlenstoffketten, wo eine Doppelbindung enthalten ist. An dieser Doppelbindung kann man andere Manipulationen vornehmen, chemisch, so dass diese Moleküle plötzlich andere Eigenschaften bekommen, zum Beispiel Ausgangsprodukte sein können für Polymere, also für Kunststoffe oder auch für Parfums.

Götze: Oh, Sonnenblumenparfum. Auch schön. Reinigt das Waschmittel dann genauso gut wie herkömmliches?

Sundmacher: Im Prinzip ja, denn die Reinigungswirkung hängt nicht davon ab, ob ein Molekül aus Atomen gebaut wurde, die aus der Erdölbasis stammen oder Biomasse, sondern die Reinigungswirkung hängt ab von der sogenannten hydrophoben Balance des Moleküls und von der Größe des Moleküls, weil die Größe bestimmt, wie schnell das Molekül an die Grenzfläche zwischen Öl und Wasser sich herbewegen kann, und das bestimmt dann die Waschwirkung.

Götze: Grundsätzlich chemische Produkte mit Biolabel klingt für den Konsumenten vielleicht erst einmal widersprüchlich. Vertrauen Konsumenten trotzdem dem Biolabel?

Sundmacher: Bioprodukte sind auf jeden Fall im Kommen und Chemie und Biologie sind nicht im Widerspruch zueinander. Es geht darum, eine chemische Industrie zu etablieren, die nachhaltig produziert, langfristig. Dafür wird Biomasse eingesetzt, um den Kohlenstoffkreislauf zu schließen. Der einzige Haken ist eben, manche Bioprodukte kosten zurzeit noch mehr, weil die Rohstoffe auch teurer sind.

Götze: Hat Ihre Forschung auch Auswirkung auf Ihr Privatleben, nutzen Sie zum Beispiel Waschkastanien anstatt des herkömmlichen Waschmittels?

Sundmacher: Bei Waschmittel ist mir und meiner Familie insbesondere die Hautverträglichkeit wichtig. Für uns ist das Label „sensitiv“ ganz besonders wichtig, aber natürlich beim Kauf von Produkten achte ich schon darauf, dass ich davon ausgehen kann, dass diese nachhaltig hergestellt worden sind.

Götze: In Ihrer Forschung geht es ja neben den eigentlichen Rohstoffen auch um die Herstellungsverfahren. Was kann da noch verbessert werden?

Sundmacher: Jede Menge, insbesondere die Energieeffizienz. Viele chemische Produktionsverfahren setzen an bestimmten Stellen Wärme frei. Diese Wärme kann man an anderer Stelle nutzen. Außerdem ist es so, dass wir jede Menge Hilfsstoffe verwenden. Katalysatoren, die kennt man aus dem Auto, Autoabgaskatalysator – das hat man schon mal gehört –, um Abgase zu reinigen, aber solche Katalysatoren werden in der Chemie an vielen, vielen Stellen verwendet, um Reaktionen zu beschleunigen oder in gewünschter Weise hin zu den Zielprodukten zu lenken. Diese kann man noch verbessern. Und man muss sie auch oftmals zurückgewinnen, weil diese Katalysatoren selbst teuer sind. Dazu setzt man Lösungsmittelsysteme ein. Diese Lösungsmittel müssen auch nach der REACH-Vorgabe der EU jetzt selbst umweltverträglich sein. Deswegen beschäftigen wir uns unter anderem damit, giftige Lösungsmittelkomponenten in der chemischen Produktion durch sogenannte „grüne“ Lösungsmittel zu ersetzen, also solche, die umweltverträglich sind, die nicht gesundheitsschädlich sind und die man auch sicher in chemischen Verfahren einsetzen kann. Außerdem geht es darum, natürlich die Produktion profitabler, noch profitabler, zu machen, durch Erhöhung der Flexibilität in Bezug auf Toleranz gegen Schwankungen, die auch immer wieder auftreten. Gerade, wenn man biologische Rohstoffe einsetzt, muss man mit Schwankungen der Rohstoffqualität rechnen. Die gilt es durch eine intelligente Prozessführung zu kompensieren.

Götze: Gibt es denn Produkte oder Verfahren, in denen Erdöl schon ersetzt werden konnte? Wie hat sich deren Ökobilanz verbessert?

Sundmacher: Es gibt sehr interessante tolle Beispiele aus der chemischen Industrie, wo es gelungen ist, zum Beispiel Kohlendioxid und Biomasse zu verwenden, um Kunststoffe herzustellen. Ein anderes Beispiel ist ein amerikanisch-isländisches Konsortium, dem es gelungen ist, unter den Bedingungen Islands Methanol aus Kohlendioxid und Wasserstoff herzustellen, nachhaltig, dabei die Erdwärme der Insel zu nutzen. Die Rohstoffbasis wird zu verbreitern sein, nicht nur durch Einsatz von Biomasse, sondern auch von Kohlendioxid, aber die Ökobilanz ist natürlich nur dann besser, wenn auch die Energieversorgung dieser chemischen Verfahren verstärkt auf erneuerbare Energien sich stützt, denn nur dann kann der Kohlendioxidausstoß insgesamt drastisch reduziert werden.

Götze: Gibt es Länder, die uns voraus sind? Länder, in denen gar keine erdölbasierten Produkte zu bekommen sind?

Sundmacher: Als interessantes Beispiel fällt mir hier Brasilien ein. Brasilien setzt Ethanol massiv ein, zum Beispiel auch zur Gewinnung von Ethylen. Ethylen, das ist ein kleines Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen, dazwischen eine Doppelbindung. Es ist hochreaktiv, und es ist das Momomer, aus dem wir den Kunststoff Polyethylen gewinnen können. Wenn Sie auf einer Verpackung sehen PE, dann ist das Polyethylen. Dieses Polyethylen wird vielfach hergestellt auf Erdölbasis, aber Brasilien macht das beispielsweise aus Bioethanol. Aber auch Brasilien kann nicht vollständig auf Erdöl verzichten.

Götze: Also gibt es noch Luft nach oben. Vielleicht könnte Sachsen-Anhalt da eine Vorreiterrolle einnehmen. Glauben Sie, dazu hat das Land das Potenzial?

Sundmacher: Unbedingt! Die lange Tradition der chemischen Produktion gerade im südlichen Teil Sachsen-Anhalts, im sogenannten Chemiedreieck, macht dieses Bundesland zum prädestinierten Gebiet für die Etablierung einer funktionierenden Bioökonomie. Ich bin davon fest überzeugt, dass dies auch eine wesentliche Basis unseres zukünftigen wirtschaftlichen Erfolgs in Sachsen-Anhalt sein wird und sein kann.

Götze: Schöne Aussichten. Schauen wir noch ein bisschen weiter in die Zukunft. Was glauben Sie, wie wird sich die Bioökonomie in den nächsten zehn Jahren verändern?

Sundmacher: Ich geh davon aus, dass sie einen rasanten Aufschwung erleben wird, weil auch große Firmen im Bereich der chemischen Produktion sich voll auf Nachhaltigkeitsziele, wie sie die UN beispielsweise definiert hat, ausrichten. Die Gesellschaft befindet sich im Wandel. Gerade die junge Generation macht Druck, dass mehr Nachhaltigkeit etabliert wird. Die Politik setzt auch zunehmend die richtigen Rahmenbedingungen, um diesen Wandel zu beschleunigen. Bei all dem müssen wir aber auch sehen, Bioökonomie allein wird nicht das Allheilmittel sein. Es gibt Dinge, die auch kritisch zu betrachten sind, wie zum Beispiel die Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion oder eine Überdüngung bei extensiver Landwirtschaft. Es geht also darum, Bioökonomie intelligent in die chemische Produktion einzubinden und, wie ich es vorher gesagt habe, auch kohlendioxidbasierte chemische Produktion spielt in diesem Zusammen eine große Rolle. Im Tandem mit der Bioökonomie entstehen hier ganz interessante, zukunftsträchtige Lösungen.

Götze: Vielleicht trägt Greta ja auch dazu bei, dass das ein bisschen schneller geht. Der Druck ist ja da. Zum Abschluss würde ich ganz gerne noch mal über Ihre persönlichen Ziele sprechen beziehungsweise, wenn Sie sich etwas wünschen könnten für Ihre Forschung, was würden Sie gerne mal erreichen?

Sundmacher: Wir möchten maßgeblich dazu beitragen, dass chemische Produktion nachhaltiger wird, dass sie energieeffizienter wird, dass auf allen Ebenen des Produktionsverfahrens, wir sozusagen Stellschrauben benutzen, um die Produktion zu optimieren, um sie umweltverträglicher zu machen, gesundheitsfreundlicher zu machen und ressourcenschonend zu etablieren. Dafür müssen wir natürlich mit der chemischen Industrie eng zusammenarbeiten. Deswegen haben wir da eine ganze Reihe von Projekten etabliert. Aber ich glaube ganz besonders wichtig ist natürlich insbesondere das Thema der Reduktion der Treibhausgase, allen zuvorderst der Kohlendioxidemission, die drastisch zu reduzieren sind. Deswegen haben wir jetzt jüngst eine ganze Reihe von Projekten gestartet, die zum Ziel haben, Kohlendioxid auch als Rohstoff zu begreifen und nicht nur CO2-Emission zu reduzieren, sondern CO2 aus der Atmosphäre zu extrahieren, um es dann für die chemische Produktion nutzbar zu machen.

Götze: Klingt super, super spannend. Vielen, vielen Dank, dass Sie hier waren und uns einen so tollen Einblick gegeben haben in Ihre Forschung, die sehr, sehr wichtig ist für uns alle. Vielen Dank auch fürs Zuhören. Schalten Sie auch gerne beim nächsten Mal wieder ein. Auf Wiederhören!

Introstimme: Wissen, wann du willst. Der Podcast zur Forschung an der Uni Magdeburg.